豹子沟煤业煤层自然发火标志气体分析与优选

武 超

（山煤集团煤业管理有限公司，山西 太原 030006）

1 概述

目前煤炭资源作为我国主要的能源来源，矿井开采强度不断增加。而井下煤自燃火灾是影响煤矿安全生产的重要灾害，严重影响着井下工作人员的生命安全[1-2]。煤炭的自然发火取决于煤本身的物理化学性质，因此，需针对具体矿井开采煤层的基本性质进行研究，掌握其自然发火过程中的气体指标参数，从而准确的预报预测火灾的发生[3-4]。

豹子沟煤矿位于山西省蒲县，为低瓦斯矿井。矿井最大绝对瓦斯涌出量为8.04 m3/min，最大相对涌出量为4.25 m3/t，回采面最大绝对瓦斯涌出量为3.82 m3/min，掘进面最大绝对瓦斯涌出量为0.50 m3/min。10101采煤工作面走向长度为1 150 m，倾斜长度为150 m，开采下组9+10+11号煤，9+10+11号煤层厚度为3.53～7.37 m，平均5.47 m。煤层顶底板岩性一般为泥岩、粉砂岩或石灰岩。采用走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤采煤工艺，采高2.5 m，放高2.97 m，全部垮落法管理顶板。9+10+11号煤自燃倾向性等级为自燃（Ⅱ类）。

综采放顶煤采煤工艺具有回采率较低、推进速度慢、采空区遗煤量大等缺点，易产生煤层自燃火灾事故。因此，研究豹子沟煤业开采煤层自然发火标志性气体特性、产生规律，对于改善矿井工作环境，保障员工的生命健康具有十分重要的现实意义[5]。

2 煤样自然发火标志气体分析与优选

根据前人研究可知，煤层自然发火一般会经历三个过程。分别为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段及激烈氧化阶段。在这三个不同阶段对应的温度及气体产物都各不相同。通常情况下，CO、C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯）、C3H3（乙炔）等可以作为预测煤层自然发火的标志性气体。

在煤层的自然发火过程中，不同温度对应着不同阶段产生了不同的气体产物，对此可以根据不同气体产物的浓度进而预测煤的自燃特性。选取蒲县豹子沟煤业10101综放工作面9#煤层、10#煤层、11#煤层煤样进行煤自然发火气体产物分析。

2.1 煤自然发火的CO标志气体

研究结果表明，CO气体是预测煤层自然发火的主要标志气体。当煤温度达到38℃左右时，出现CO气体，此时CO气体产生量较稳定；煤温度超过193℃时，CO气体产生量减少。因此，在此温度范围内，可以采用CO气体作为预测采空区煤自然发火的标志气体，为避免测到的浓度受风量影响，可以考虑采用CO指数派生指标进行修正。

2.2 煤自然发火的C2H4和C3H6标志气体

根据煤自然发火气体产物分析可知，9煤层煤样氧化出现C2H4的临界温度在225℃左右，与CO气体相比，有明显的温度差和时间差，与CO形成较好的补充。煤自C2H4出现开始进入加速氧化阶段，煤氧化出现C3H6的临界温度在244℃左右；10号煤层煤样升温氧化出现C2H4与C3H6的临界温度在220℃、278℃左右；11号煤层煤样C2H4与C3H6出现的临界温度在220℃、268℃左右。

因此，煤层煤样升温氧化出现C2H4和C3H6气体和CO气体可以在不同温度段判断煤氧化自燃形成良好的补充。C2H4和C3H6气体出现的温度分别为225℃左右和275℃左右，可以在此范围内采用这两种气体作为预测煤层自然发火的指标气体。

2.3 煤自然发火的C2H2标志气体

根据煤自然发火气体产物分析可知，9号煤层实验煤样产生C2H2气体初始浓度为2.67 ppm，产生的初始温度为323℃，10号煤层实验煤样产生C2H2气体初始浓度为1.17 ppm，产生的初始温度为419℃，11号煤层实验煤样产生C2H2气体初始浓度为2.75 ppm，产生的初始温度为317℃，因此各煤层实验煤样产生C2H2气体初始温度为317℃～419℃左右。这与煤样升温氧化出现C3H6相比又有一个明显的温度差。

因此C2H2和C2H4、C3H6、CO气体可以在不同温度段形成良好的补充，在317℃～419℃左右范围内采用C2H2气体作为预测煤层自然发火的指标气体。

因此C2H2和C2H4、C3H6、CO气体可以在不同温度段形成良好的补充，在317℃～419℃左右范围内采用C2H2气体作为预测煤层自然发火的指标气体。

2.4 煤自然发火的临界氧气浓度

研究煤层在不同氧气浓度下自然发火的规律，可以有效地通过控制氧气浓度进而抑制煤层自然发火。本实验通过将帽子沟煤业实验煤样分别放置与氧气浓度为20.9%（空气）、10.0%和7.0%时的产生的气体产物进行研究，进而得出一定得规律。

图1 9号煤层煤样不同氧气浓度下气体产物规律

图2 10号煤层煤样不同氧气浓度下气体产物规律

图3 11号煤层煤样不同氧气浓度下气体产物规律

（1）不同氧气浓度下的气体产物特性

9号—11号煤层煤样实验煤样在不同氧气浓度下气体产物规律分别见图1—图3。

9号煤层、10号煤层、11号煤层实验煤样均有共同特性：从气体产物的浓度来看，20.9%氧气浓度条件下气体生成浓度明显高于10.0%氧气浓度下的气体生成浓度；而10.0%氧气浓度下又高于7.0%氧气浓度下的气体生成浓度。在同一温度时，随着氧气浓度的下降各种气体产物浓度也出现降低。当氧气浓度为20.9%时，CO、C2H4气体的浓度增长迅速；而在氧气浓度为10.0%时，CO、C2H4虽然增长浓度有所放缓，但仍有陡坡增长，不能很好的抑制煤的氧化；氧气浓度在7.0%时，整个氧化过程都未出现C2H2气体，对煤的氧化起到了很大抑制作用。

（2）不同氧气浓度下的氧化热力学特性

煤的氧化热力学特性是煤氧化的一个重要特性之一，通过煤温度的变化直接反应氧化反应的进行程度，通过收集数据可得到的曲线见图4。

图4 实验煤样自然发火模拟过程中温升曲线

由图可知，随着氧气浓度的下降，煤温激烈氧化阶段也有明显下降的趋势。当氧气浓度为20.9%时，煤温有明显的激烈氧化阶段，氧气浓度为10.0%时，也存在一小段明显的激烈氧化阶段，氧气浓度为7.0%时，氧化过程不太明显。因此，可以判定豹子沟煤业煤层自然发火临界氧气浓度为7.0%。

2.5 煤自然发火预测预报指标体系

标志气体优选工作中应抛弃过去相当长时间采用的单纯使用CO及其派生指标的片面观念。应当在使用CO的前提下，探讨和寻求其他以C2H4、C3H6为代表的烯烃气体和烷烃气体共同作为综合判断指标的可能性，并增加这些标志气体的预测预报指标作为综合指标对煤自然发火的不同阶段及其发展态势进行预测预报。

2.6 防灭火措施

提高员工安全意识，避免煤层自燃带来的灾害和损失，做好日常防灭火工作。如根据标志性气样显示煤层有自然氧化倾向，应该加强漏风监测，对漏风通道进行加固、堵漏，实施采空区连续注氮和高温点钻孔注浆并重的防灭火措施。

3 工程实践

在10101采煤工作面进、回风巷方向布置束管监测点，测点间距20 m。随着工作面的推进，束管依次进入采空区自燃三带“散热带”、“氧化带”与“窒息带”，同时监测采空区各种气体参数变化。分析可知： 各测点在距工作面27.2～74.5 m处，CO气体浓度都出现先上升后下降的过程，说明在此处附近有自热氧化的发生； 各测点在工作面的推进过程中，温度都低于21℃，说明工作面采空区压实条件较好，保证了工作面及采空区的安全稳定。

4 结语

通过对豹子沟煤业10101工作面中9、10、11号煤层煤样实验和分析，可以得到如下结论：

1）煤层自然发火经历三个过程，分别为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段及激烈氧化阶段。在这三个不同阶段对应气体产物CO、C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯）、C2H2（乙炔）等可以作为预测煤层自然发火的标志性气体。

2）CO可以在煤氧化升温到38℃～193℃范围内作为预测预报煤自然发火的指标气体，C2H4和C3H6气体可以在煤氧化升温到225℃左右和275℃左右时作为预测煤层自然发火的指标气体，C2H2气体可以在317℃～419℃左右范围内作为预测煤层自然发火的指标气体。

3）在氧气浓度为7.0%时，煤的整个氧化过程都未出现C2H2气体，缺氧环境对煤的氧化起到了很大抑制作用。